Ответы на дополнительные задачи

№ 10 Ростовые факторы стимулируют клетку к вступлению в G1 фазу клеточного цикла. В ходе этой фазы индуцируется синтез ферментов, катализирующих образование дезоксирибонукдеотидов из рибонуклеотидов. Изобразите схему процесса, в котором в качестве субстратов используются дезоксирибонуклеотиды, назовите ферменты и укажите фазу клеточного цикла, в ходе которой он протекает.

Синтез дезоксирибонуклеотидов идёт с заметной скоростью только в тех клетках, которые вступают в S-фазу клеточного цикла и готовятся к синтезу ДНК и делению. В покоящихся клетках дезоксинуклеотиды практически отсутствуют. Все дезоксинуклеотиды, кроме тимидиловых, образуются из рибонуклеотидов путём прямого восстановления ОН-группы у второго углеродного атома рибозы в составе рибонуклеозиддифосфатов до дезоксирибозы. Тимидиловые нуклеотиды синтезируются из dУМФ особым путём с участием N⁵,N¹⁰-метилен-Н₄-фолата.

Тимидин-5'-монофосфат (дТМФ) образуется из дУМФ в реакции, катализируемой тимидилатсинтазой. Донором метильной группы, появляющейся в 5-положении пиримидинового кольца в молекуле дТМФ, служит кофермент тимидилатсинтазы – N⁵,N¹⁰-метилен-Н₄-фолат. С помощью этого кофермента в молекулу дУМФ включается метиленовая группа и восстанавливается в метальную, используя 2 атома водорода от Н₄-фолата.

Образование субстрата тимидилатсинтазной реакции – дУМФ осуществляется двумя путями:

• дефосфорилироваиием дУДФ;

• гидролитическим дезаминированием дЦМФ с помощью дЦМФ дезаминазы. дЦМФ получается при дефосфорилировании дЦДФ – одного из продуктов рибонуклеотидредуктазной реакции. В организме человека это основной путь образования дУМФ.

Скорость синтеза дТМФ зависит также от количества второго субстрата тимидилатсинтазной реакции – N⁵,N'°-метилен-Н₄-фолата, пополнение запасов которого осуществляется при участии 2 ферментов: дигидрофолатредуктазы, которая с участием NADPH восстанавливает Н₂-фолат в Н₄-фолат, и серин гидроксиметилтрансферазы, осуществляющей перенос β-гидроксиметиленовой группы серина на Н₄-фолат. У человека дТМФ образуется, главным образом, из дЦДФ.

№ 11 Препарат доксорубицин в клетке связывается с ДНК, внедряясь между азотистыми основаниями. Кроме этого он генерирует образование активных форм кислорода, которые вызывают разрывы в молекуле ДНК. Назовите группу заболеваний, для лечения которых используется этот препарат, нарисуйте схему матричного биосинтеза, который прекращается под действием этого препарата.

Заболевания – лейкозы, рак молочной железы, лёгких, яичников.

Прекращается репликация ДНК.

Одноцепочные разрывы ДНК соединяет ДНК-липаза.

Основные этапы процесса: 1. Формирование репликационной вилки. 2. Синтез новых цепей ДНК. 3. Исключение праймеров.

Ферменты:

1. ДНК-топоизомераза – разрывает цепи 3—5 фосфодиэфирные связи.

2. ДНК хеликаза – использует энергию АТФ, для расплетения двойной спирали ДНК.

3. SSB белок - не даёт нитям скрутиться обратно в спираль, держит их.

4. ДНК полимераза γ – удлиняет уже имеющийся участок, работает на лидирующей цепи.

5. ДНК-полимераза ε - синтез отстающей цепи.

6. ДНК-лигаза – сшивает фрагменты Оказаки после удаления прамера

7. ДНК-β – удаляет праймер.

№ 12 Образование пиримидиновых димеров часто происходит в клетках кожи, например, под действием УФО. Обычно у здоровых людей эти повреждения исправляются. Однако в случае пигментной ксеродермы у больных проявляется сверхчувствительность к УФО. На коже появляются пятна, короста, и часто развивается рак кожи. Почему таким больным рекомендуется избегать пребывание на солнце? Для ответа изобразите схему защиты организма, исправляющую такого рода повреждения, укажите ферменты и их функции.

Удаление пиримидиновых димеров происходит под действием фотолиазы.

Происходит образование циклобутанового кольца.

Фотолиаза расщепляет циклобутановое кольцо, возвращает нативную структуру нуклеотидов.

№ 13 Действие стероидного гормона кальцитриола на клетки кишечника приводит к увеличению количества белков-переносчиков, обеспечивающих всасывание пищевого Ca. Какой матричный процесс кальцитриол индуцирует первично в клетках кишечника? Отвечая на вопрос:

а) Напишите схему и суммарное уравнение этого процесса;

б) Укажите, каким модификациям подвергается вновь синтезированная нуклеиновая кислота, для того, чтобы служить матрицей для синтеза других молекул.

а) Гормон связавшись с рецептором в клетке, поступает в ядро, и там взаимодействует с регуляторной нуклеотидной последовательностью в ДНК, и индуцирует транскрипцию структурных генов, в результате чего синтезируются белки переносчики.

Суммарное уравнение: aATP+bGTP+cCTP+dUTP+ДНК=РНК+ДНК+(a+b+c+d)PPi (?)

б) Модификация 5’конца - кэпирование (начинается на стадии элонгации), это обеспечивает инициацию трансляции; модификация 3’конца - формирование полиАпоследовательности. далее происходит сплайсинг.

№ 14 В процессе формирования атеросклеротической бляшки происходит повреждение эндотелия. В ответ на повреждение активируются тромбоциты, которые секретируют тромбоксаны TXA2. TXA2 стимулируют пролиферацию гладкомышечных клеток (ГМК) и их миграцию в область повреждения. Как тромбоксаны повышают количество ГМК? Для ответа на вопрос:

а) Укажите, какие матричные процессы активируются в ГМК после стимуляции тромбоксанами;

б) Нарисуйте схему и опишите один из этих процессов, течение которого в значительной мере зависит от поступления Мет в клетки и возможности его регенерации их гомоцистеина.

а) Активируется траснкрипция, трансляция. Происходит сокращение ГМК. Эйкозанойды действуют на клетки через специальные рецепторы. Некоторые рецепторы эйкозанойдов связаны с аденилатциклазной системой и протеинкиназой А. Эти рецепторы действуют через механизмы, увеличивающие уровень кальция в цитозоле клеток - мишеней. В норме клетки эндотелия сосудов продуцируют простациклин I₂, который препятствует агрегации тромбоцитов и сужению сосудов.

б)

№ 15 Известно, что при повышении концентрации гема фактор инициации eIF2 активируется. В результате этого количество гемоглобина в организме увеличивается, Какой процесс с участием eIF2 ускоряется и изменяет уровень Нb этих условиях? Для ответа изобразите схему процесса, перечислите ферменты, субстраты, источники энергии.

Процесс – трансляция, стадия транслокации, идет при элонгации.

№ 16 Для поддержания температуры тела при колебаниях температуры окружающей среды организм изменяет скорость окисления «топливных» молекул, Так, при дрожании мышц на холоде увеличивается использование АТФ как источника энергии для их сокращения, и больше «топливных» молекул окисляется. Почему в этом случае человек согревается? Для ответа изобразите схему, иллюстрирующую механизм синтеза АТФ при участии изоцитрата как энергоносителя.

При сокращении мышц только 20 % тратится непосредственно на сокращение, 80 % приходится на тепло, поэтому человек согревается.

№ 17 При недостатке поступления О₂ в ткани развивается гипоэнергетическое состояние, которое может привести к воспалительной реакции, а затем и некрозу данной области. Почему гипоксия вызывает снижение синтеза АТФ и почему уменьшение синтеза АТФ приводит к гибели клетки? Напишите соответствующие схемы.

Гипоксия вызывает снижение синтеза АТФ, так как O₂ – конечный акцептор электронов в ЦПЭ.

Уменьшение синтеза АТФ может привести к гибели клетки, так как у клетки не будет необходимого количества энергии.

№ 18 При преобладании в пище очищенных круп или хлеба, приготовленного из муки высшего сорта может возникнуть гиповитаминоз В₁. Объясните, какую роль играет витамин В₁ в организме. Для этого:

а) Назовите кофермент в состав которого входит витамин В₁ и ферменты, для функционирования которых требуется этот кофермент;

б) Напишите процесс, в котором участвуют эти ферменты, и объясните, как изменится скорость процесса при недостатке В₁.

а) Кофермент: ТДФ – дифосфорный эфир тиомина.

Ферменты: пируват- и α-кетоглутаратдегидрогензные комплексы, транскетолаза.

б) Пируват- и α-кетоглутаратдегидрогензные комплексы – окислительное декарбоксилирование пирувата и α-кетоглутарата. Транскетолаза – Пентозофосфатный путь превращения углеводов.

При недостатке витамина скорость этих процессов уменьшается.

Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Превращение Пирувата в Ацетил-КоА включает 5 стадий.

Стадия 1. На этой стадии пируват соединяется с ТДФ в составе E1 и подвергается окислительному декарбоксилированию.

Пируват + E1-ТДФ → Гидроксиэтил-ТДФ + CO2. В результате этой реакции образуется производное ТДФ с гидроксиэтильной группой при тиазоловом кольце.

Стадия 2. Дигидролипоилтрансацетилаза (E2) ка­тализирует перенос атома водорода и ацетильной группы от ТДФ на окисленную форму липоиллизиновых групп с образованием ацетилтиоэфира липоевой кислоты. Стадия 3. На стадии 3 КоА взаимодействует с ацетильным производным E2, в результате чего образуются ацетил-КоА и полностью восстановленный липоильный остаток, простетическая группа Е2.

Стадия 4. На стадии 4 дигидролипоилдегидрогеназа (Е3) катализирует перенос атомов водорода от восстановленных липоильных групп на FAD – простетическую группу фермента Е3.

Стадия 5. На стадии 5 восстановленный FADH, передаёт водород на NAD⁺ с обра­зованием NADH.

Пентозофосфатный путь:

№ 19 Авитаминоз В₁ приводит к нарушению синтеза АТФ клетками нервной системы и развитию полиневритов. Какую роль играет этот витамин в метаболизме? Почему его недостаток приводит к поражению нервной ткани? При ответе используйте схемы метаболических путей и реакции.

Биологическая роль витамина В, определяет­ся тем, что в виде ТДФ он входит в состав как минимум трёх ферментов и фермент­ных комплексов: в составе пируват- и а-кетоглутаратдегидрогеназных комплексов он участвует в окислительном декарбокси-лировании пирувата и а-кетоглутарата; в составе транскетолазы ТДФ участвует впентозофосфатном пути превращения уг­леводов.

Основной, наиболее характерный и специ­фический признак недостаточности вита­мина В, — полиневрит, в основе которого лежат дегенеративные изменения нервов. Вначале развивается болезненность вдоль нервных стволов, затем — потеря кожной чувствительности и наступает паралич (бери-бери).

Окислительное декарбоксилирование пирувата.

Превращение Пирувата в Ацетил-КоА включает 5 стадий.

Стадия 1. На этой стадии пируват соединяется с ТДФ в составе E1 и подвергается окислительному декарбоксилированию.

Пируват + E1-ТДФ → Гидроксиэтил-ТДФ + CO2. В результате этой реакции образуется производное ТДФ с гидроксиэтильной группой при тиазоловом кольце.

Стадия 2. Дигидролипоилтрансацетилаза (E2) ка­тализирует перенос атома водорода и ацетильной группы от ТДФ на окисленную форму липоиллизиновых групп с образованием ацетилтиоэфира липоевой кислоты. Стадия 3. На стадии 3 КоА взаимодействует с ацетильным производным E2, в результате чего образуются ацетил-КоА и полностью восстановленный липоильный остаток, простетическая группа Е2.

Стадия 4. На стадии 4 дигидролипоилдегидрогеназа (Е3) катализирует перенос атомов водорода от восстановленных липоильных групп на FAD – простетическую группу фермента Е3.

Стадия 5. На стадии 5 восстановленный FADH, передаёт водород на NAD⁺ с обра­зованием NADH.

Пентозофосфатный путь:

№ 20 Цитратный цикл выполняет не только катаболические функции. Его метаболиты активно используются для синтеза других веществ. Приведите примеры анаболических функций ЦТК, написав соответствующие реакции и схемы. Каким образом восполняется утечка метаболитов? Напишите реакцию, назовите фермент и кофермент. К каким последствиям может привести дефект этого фермента?

Анаболические функции ЦТК.

Цикл лимонной кислоты — один из амфиболических путей метаболизма. В нём осуществ­ляются не только окислительные превращения энергетических субстратов до конечных продуктов СО₂ и Н₂О, но и происходит образование субстратов для других метаболических путей.

Некоторые промежуточные продукты цикла лимонной кислоты: α-кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат могут использоваться для синтеза заменимых аминокислот.

Восполнение утечки метаболитов.

Убыль промежуточных продуктов цикла вос­полняется в реакциях, катализируемых специ­фическими ферментами. В нормальных усло­виях реакции, отвлекающие промежуточные продукты из цикла и восполняющие их убыль, находятся в состоянии динамического равно­весия, так что концентрация этих продуктов в митохондриях остаётся постоянной.

Реакции, обеспечивающие пополнение фон­да промежуточных продуктов ЦТК, называются анаплеротическими (пополняющими). Важней­шая из них — реакция синтеза оксалоацетата из пирувата. Эту реакцию катализирует митохондриальный фермент — пируваткарбоксилаза.

Пируваткарбоксилаза — регуляторный фер­мент. Если концентрация ацетил-КоА увеличи­вается, то он действует как аллостерический активатор пируваткарбоксилазы, ускоряя обра­зование оксалоацетата. Таким образом, избы­ток ацетил-КоА способствует активации цитратного цикла.

Последствия.

Пируваткарбоксилаза катализирует превращение пирувата в оксалоацетат для глюконеогенеза. А если не будет аксалоацетата, то не будет глюконеогенеза. А из-за этого в результате может быть гипогликемия натощак.

№ 21 Если к суспензии митохондрий, использующих в качестве единственного субстрата дыхания пировиноградную кислоту, добавить малоновую кислоту, то поглощение О₂ митохондриями резко снижается и накапливается один из промежуточных продуктов метаболизма. Какой метаболит накапливается и почему снижается поглощение О₂? Для ответа на вопрос:

а) Назовите вещество, которое накапливается, напишите схему процесса, в котором это соединение является промежуточным продуктом;

б) Объясните, почему прекращается поглощение О₂;

в) Укажите, каким способом можно снять вызванное малонатом ингибирование.

а) Оксалоацетат

б)

Снижается, потому что доноры водорода образуются только в одной реакции ЦТК: окисления малата в оксалоацетат. Все остальные донорные реакции не идут, потому что в среде нет пирувата.

в) Нужно связать оксалоацетат, добавив пируват или ацетил-КоА

№ 22 Весной у многих людей развивается гиповитаминоз, обусловленный снижением в пище количества витамина В₅ (пантотеновой кислоты). Наиболее характерными признаками этого гиповитаминоза является сонливость и повышенная утомляемость. Почему дефицит витамина В₅ может привести к таким состояниям? Для ответа:

а) Укажите, предшественником какого кофермента является витамин В₅, в каких процессах он участвует;

б) Приведите схему метаболического пути, протекающего в мышцах при выполнении физической нагрузки и укажите реакцию, в которой участвует этот кофермент;

в) Перечислите другие возможные причины гипоэнергетических состояний.

а) Кофермент HSKoA.

Пантотеновая кислота используется в клетках для синтеза коферментов: 4-фосфапантотеина и КоА. 4-фосфапантотеин – кофермент пальмитоилсинтазы. КоА участвует в переносе ацильных радикалов в реакциях общего пути катаболизма, активации жирных кислот, синтеза холестерина и кетоновых тел, синтеза ацетилглюкозаминов, обезвреживания чужеродных веществ в печени.

Пантотеновая кислота является ферментом в пируватдегидрогеназном комплексе и α-кетоглутаратдегидрогеназном комплексе.

б)

Реакция, которая написана перед окислением и та, в которой ферментом является β-кетоацил-КоА-тиолаза.

в) Голодание, гиповитаминозы B₁, PP, B₂; гипоксия.

№ 23 У тренированных людей в скелетных мышцах увеличивается количество митохондрий и миоглобина. Как у этих людей изменится продукция лактата мышцами по сравнению с нетренированными при одинаковой физической нагрузке? При ответе:

а) Напишите схему метаболического пути, конечным продуктом которого является лактат;

б) Объясните, как и почему активность этого метаболического пути будет отличаться у тренированных людей и не тренированных.

а)

б) У нетренированных людей лактоацидоз возникает при физической работе как следствие относительного недостатка кислорода в мышцах и развивается достаточно быстро. Компенсация осуществляется путём гипервентиляции. У тренированных людей много кислорода запасено в миоглобине. Гипоксия мышцы развивается позже или при бОльших нагрузках. Большое количество митохондрий обеспечивает быстрое и высокоэффективное аэробное окисление требуемого количества энергоносителей.

№ 24 Гликоген - разветвленный органический полимер. Как связаны особенности строения гликогена с его функцией в организме? Где и для каких целей синтезируется гликоген и в каких ситуациях используется? Ответ обоснуйте, представив соответствующие биохимические схемы.

1. Гликоген – разветвлённый гомополимер глюкозы, в котором остатки глюкозы соединены в линейных участках α-1,4-гликозидной связью. В точках ветвления мономеры соединены α-1,6-гликозидными связями.

При полимеризации глюкозы снижается растворимость образующейся молекулы гликогена и, следовательно, её влияние на осмотическое давление в клетке. Это объясняет , почему в клетке депонируется гликоген, а не свободная глюкоза.

Разветвлённая структура гликогена обуславливает большое количество концевых мономеров, что способствует работе ферментов, отщепляющих или присоединяющих мономеры при распаде или синтезе гликогена, так как эти ферменты могут одновременно работать на нескольких ветвях молекулы.

2. Гликоген синтезируется в период пищеварения (через 1-2 часа после приёма углеводной пищи). Гликоген депонируется в печени и мышцах. Распад его происходит в ответ на повышение потребности организма в глюкозе.

№ 25 У больных с печеночной формой гликогеноза, болезнью Гирке, в крови повышена концентрация лактата и мочевой кислоты. Почему при этом заболевании наблюдается лактоацидоз? Для ответа:

а) Напишите схему метаболического пути, активность которого снижена у больного, на схеме укажите место ферментного «блока», укажите фермент;

б) Укажите, в какие метаболические пути включается «конечный» продукт этого процесса;

в) Объясните происхождение лактата, концентрация которого повышена в крови больного.

а) Распад гликогена

Глюкоза-6-фосфат не переходит в глюкозу из-за дефекта фермента глюкозо-6-фосфатазы

б), в) Из-за увеличения содержания в клетках глюкозо-6-фосфата возрастает его использование в пентофосфатном пути с образованием рибозо-5-фосфата, который является субстратом для синтеза пуриновых нуклеотидов. Их образуется и разрушается больше, в связи с этим увеличивается концентрация мочевой кислоты, как продукта распада нуклеотидов.

Увеличение содержания в клетках глюкозо-6-фосфата приводит к его избыточному превращению в пируват и лактат. Накопление лактата приводит к лактоацидозу. Ацидоз в свою очередь приводит к снижению pH мочи, что также затрудняет выведение мочевой кислоты и уратов.

№ 26 При недостаточности тиамина (В₁) наблюдается снижение работоспособности, быстрая утомляемость. Больные жалуются на судороги в мышцах, что может быть объяснено повышенным содержанием органической кислоты в клетках мышц. Какая органическая кислота накапливается в тканях в этих условиях? При ответе:

а) Укажите роль тиамина в метаболизме, приведите примеры реакций, в которых он участвует;

б) Объясните, какая органическая кислота накапливается в мышцах в этих условиях и напишите схему метаболического пути, активация которого приводит к ее накоплению.

а) Тиамин входит в состав ферментных комплексов. Он участвует в окислительном декарбоксилировании пирувата и α-кетоглутарата, а в составе ТДФ участвкет в пентозофосфатном пути превращения углеводов.

Пируват + NAD⁺ + HSKoA → Ацетил-КоА + NADH+H⁺ + CO₂

б) Кислота – лактат.

Анаэробный распад глюкозы

А если недостаточность тиамина:

№ 27 Человек получил с пищей 200г углеводов и затем не принимал пищу в течение суток. Опишите состояние обмена гликогена у данного человека через 1 час после еды и через 14 часов, написав соответствующие схемы. Объясните отличие в мобилизации гликогена в печени и мышцах.

Через 1 час – синтез гликогена. Через 14 часов – распад гликогена.

В печени присутствует фермент Глюкозо-6-фосфатаза, а в мышцах его нет, поэтому глюкоза из гликогена в мышцах может использоваться только там, а в печени также может идти в кровь и поддерживать уровень себя в крови.